Stejnosměrné stroje II. Konstrukce a princip Dynama a motory

Stejnosměrné generátory - dynama Dynama jsou nejstarší elektrické stroje na výrobu elektrické energie, jejich význam v současné době je ale minimální. Jestliže je dnes požadavek stejnosměrné energie, používá se střídavý zdroj s usměrňovačem. Provozní charakteristiky * charakteristika naprázdno U0 = f(Ib) n = konst. I = 0 * zatěžovací charakteristika U = f(I) n = konst. * regulační charakteristika Ib = f(I) n = konst. U = konst.

Indukované napětí Ui = C1 *  * n Ui = B * l * v (V; T,m,m*s-1) Velikost indukovaného napětí na kotvě lze odvodit na základě indukovaného pohybovaného napětí: Ui = B * l * v (V; T,m,m*s-1) kde B   l  na konstrukci stroje, počtu závitů, … v  n Po úpravě: Ui = C1 *  * n Velikost indukovaného napětí je dána budícím tokem (budícím proudem) a rychlostí otáčení stroje.

Dynamo s cizím buzením stav naprázdno U0=f(Ib), n=konst. Zjednodušené náhradní schéma Ub Ib U0 + - Ui n U0 n = konst. charakteristika naprázdno při n = konst. je výstupní napětí dáno budícím proudem UR Ib

Dynamo s cizím buzením stav při zatížení U=f(I), n=konst., Ib = konst Podle 2. Kirchhoffova zákona platí: U = Ui - Ri*I = C1**n - Ri*I kde Ri je vnitřní odpor dynama (odpor kartáčů) Ub Ib U Ui n I U ideální charakteristika vliv reakce kotvy U0 Un charakteristika při zatížení In I

Derivační dynamo stav při zatížení U=f(I), n=konst. Ub Ib U Ui n I Pro obvod kotvy platí: U = Ui - Ri*I = C1**n - Ri*I Vlivem úbytku napětí klesá budící proud (  konst.)  při zatěžování se dynamo odbuzuje U U0 Un V praxi je nutné použít regulátor buzení, který drží konstantní jmenovité napětí (do I = In). charakteristika při zatížení Ik In I

Sériové dynamo stav při zatížení U=f(I), n=konst. Ub Ib U Ui n I U charakteristika při zatížení I Provoz sériového dynama nemá smysl, výstupní napětí je dáno zátěží. Částečně sériového vinutí lze využít pro kompenzaci úbytku napětí derivačního dynama (kompaundní dynama). Problematika sériového buzení se řeší při rekuperaci sériových motorů.

Stejnosměrné motory Ui = C1 *  * n Hlavní výhody stejnosměrných motorů: * jednoduchá regulace otáček změnou napětí * velký moment při nízkých rychlostech * velký rozsah regulace rychlosti * snadná změna směru otáčení Většina výhod lze dnes uskutečnit i u střídavých strojů s polovodičovou regulací Hlavní nevýhody stejnosměrných motorů: * složitá konstrukce, sběrací ústrojí, vysoká cena Velikost indukovaného napětí na kotvě je stejné jako u dynama: Ui = C1 *  * n

Tažná síla, moment M = C2 *  * I (N*m;A,Wb) F = B * I * l (N;T,A,m) Velikost tažné síly (momentu) na kotvě lze odvodit na základě silových účinků magnetického pole: F = B * I * l (N;T,A,m) kde B   I  zátěži stroje l  konstrukce stroje, počet závitů, … Po úpravě lze vyjádřit moment: M = C2 *  * I (N*m;A,Wb) Moment motoru je dán budícím tokem (budícím proudem) a proudem v kotvě.

U = Ui + Ri*I = C1**n + Ri*I Otáčky motoru U + - Ui n I Podle 2. Kirchhoffova zákona platí: U = Ui + Ri*I = C1**n + Ri*I kde Ri je vnitřní odpor motoru (odpor kartáčů) Po úpravě jsou otáčky:  otáčky motoru jsou přímo úměrné napájecímu napětí a nepřímo úměrné budícímu toku  moment motoru je dán budícím tokem a proudem

Stejnosměrné motory Provozní charakteristiky U dynama sem předpokládaly konstantní otáčky, u motoru předpokládáme konstantní napětí (s výjimkou regulace). Provozní charakteristiky * řídící charakteristika v chodu naprázdno n = f(U) Ib = konst. n = f(Ib) U = konst. * momentová charakteristika M = f(I) U = konst. * rychlostní charakteristika n = f(I) U = konst. * mechanická charakteristika n = f(M) U = konst. * regulační charakteristika Ib = f(I) U = konst., n = konst. * řídící charakteristika při konstantním proudu M = f(n), P = f(n), Ib = konst., I = konst. M = f(n), P = f(n), U = konst., I = konst.

Motor s cizím buzením - rozběh Pro n = 0 platí: U = Ui + Ri*Ik = C1**n + Ri*Ik = Ri*I  Ik = U/Ri vnitřní odpor motoru je zanedbatelný (okolo 1)  velký proudový ráz Zjednodušené náhradní schéma Ub Ib U + - Ui n I Možnosti snížení proudového rázu (I≤2,5In): * zařazení odporu do obvodu kotvy – ztrátové. Použití u pohonů, kde není požadavek regulace rychlosti a s malou četností rozběhů. * snížením napájecího napětí (polovodičová regulace).

Momentová a rychlostní charakteristika Momentová charakteristika M = f(I) Rychlostní charakteristika n = f(I) M = C2 *  * I pro  = konst. M = k * I pro  = konst.  n = k1 –k2 * I M n Vliv reakce kotvy Vliv reakce kotvy I I

Mechanická charakteristika - n = f(M) pro  = konst.  n = k1 –k2 * M n * tvar mechanické charakteristiky je obdobný jako u rychlostní charakteristiky * pokles otáček se zatížením je velmi malý * v důsledku reakce kotvy hrozí nárůst otáček a přechod do nestabilního stavu Vliv reakce kotvy M

Sériový motor Ui = C1 * n *  = C3 * n * I M = C2 *  * I = C4 * I2 Úprava základních vztahů: a) indukované napětí Ui = C1 * n *  = C3 * n * I b) moment motoru M = C2 *  * I = C4 * I2 Zjednodušené náhradní schéma Ub Ib U + - Ui n I * pro sériový motor platí, že zatěžovací proud je zároveň budící I = Ib  budící proud závisí na zatížení. * pro zjednodušení se předpokládá, že magnetický tok je přímo úměrný zatěžovacímu proudu (neuvažuje se vliv reakce kotvy).

Momentová a rychlostní charakteristika Momentová charakteristika M = f(I) Rychlostní charakteristika n = f(I) M = C4 * I2 M n Vliv reakce kotvy I Vlivem reakce kotvy se charakteristika linearizuje I

Mechanická charakteristika - n = f(M)  rovnice polytropy * s rostoucím momentem klesají otáčky (otáčky se přizpůsobují momentu) * charakteristika je výhodná zejména pro elektrickou trakci s požadavkem velkého momentu při rozjezdu * motor nesmí běžet naprázdno – hrozí nárůst otáček do kritických hodnot (u elektrické trakce nutnost skluzové ochrany) n M

Zhodnocení stejnosměrné motory U stejnosměrných motorů nesmí dojít ke ztrátě buzení  rychlý nárůst otáček do nebezpečných hodnot. Při rozběhu je třeba splnit podmínky pro proudový ráz (řeší se zpravidla regulací napájecího napětí). 1. Motor s cizím buzením (derivační motor) * konstantní otáčky při různém zatížení  tvrdá mechanická charakteristika * změna zátěže se projevuje proudovými rázy do sítě  vhodné pro pohony s konstantní zátěží 2. Motor se sériovým buzením * otáčky se přizpůsobují zátěži  měkká mechanická charakteristika * motor se nesmí odlehčit (vliv na provedení převodů, ochrany) * motory jsou vhodné pro elektrickou trakci

Materiály Kocman Stejnosměrné stroje Kocman Elektrické stroje a přístroje I Mravec Elektrické stroje a přístroje I Měřička Elektrické stroje Bartoš Elektrické stroje